彩涂板涂层分布均匀性的分析

工程科学学报，第37卷，增刊1：90-97,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,Suppl.1:90-97,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.s1.015:http://journals.ustb.edu.cn 彩涂板涂层分布均匀性的分析 朱冬梅”，董栗明”，刘国勇”四，王宽宽”，王蕾》，张少军” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)上海大众汽车（新疆）有限公司，乌鲁木齐市830022 区通信作者，E-mail:iu666@usth.cdu.cn 摘要基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值方法VOF(Volume of Fluid)模型，利用FLUENT软件对彩涂板生产过程 中带料辊空转的情况进行了数值模拟，研究了带料辊旋转速度、涂料盘内的涂料量、涂料盘的尺寸、进出口位置以及涂料进口 的速度对涂料起泡性和涂层均匀性的影响.数值结果表明，对生产彩涂板来说，带料辊旋转速度越大，涂层的均匀性越差；涂 料盘里的涂料高度越高，涂料较容易发生起泡现象：涂料盘长度和宽度越大，涂层的均匀性相对越好：涂料进口速度越大，涂 料的起泡性越强：涂料盘进、出口位置也会对涂层均匀性造成影响 关键词彩涂板：带料辊：均匀性：非牛顿流体：数值模拟 分类号T0062·.1 Analysis on the uniformity of coatings of color-coated sheet ZHU Dong-mei,DONG Li-ming),LIU Guo-yong,WANG Kuan-kuan,WANG Lei,ZHANG Shaojun) 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shanghai Volkswagen Xinjiang Branch,Urumqi 830022,China Corresponding author,E-mail:gy_liu666@ustb.edu.cn ABSTRACT Basing on the Volume of Fluid (VOF)model of Computational Fluid Dynamics (CFD),the 3-D numerical simulation of the idling furnish roll in the producing process for color-coated sheet was performed with the FLUENT software.And the effects of some parameters on the uniformity of coatings were analyzed,such as the rotation speed of furnish roll,the amount of lacquer in the plate,the size of lacquer plate,the inlet and outlet locations of lacquer plate and the inlet velocity of the lacquer.For producing the color-coated sheets,numerical results show that the uniformity of coatings becomes worse as the rotation speed of the furnish roll in- creases:the higher the lacquer height in the plate is,the easier it emerges foams:the uniformity of coatings becomes better as the length and width of lacquer plate increase:the ability of producing the foams becomes stronger as the inlet velocity increases;the inlet and outlet locations of lacquer plate also influence the uniformity of coatings KEY WORDS color-coated sheet:furnish roll;uniformity:non-Newtonian fluid:numerical simulation 由于传统钢板轻质度、美观度、强度及耐腐蚀性能 敷辊上，然后涂敷辊再将涂料涂在预处理后的钢板的 越来越不能满足日益发展的市场需求，所以在1927年 上、下表面四.某钢铁公司在彩涂板的生产过程中，发 钢铁行业产生了一种新型的金属材料一彩涂板.它 现在涂料盘中有大量的气泡产生，这会对彩涂板的质 不仅保留了钢板的传统优良性能，而且钢板更易成型， 量造成很大的影响.国内对彩涂领域内辊涂设备缺乏 色泽新颖，还提高了其机械强度、美观度Ⅲ 深入系统的研究，而国外专家对辊涂过程做了大量的 目前彩涂板生产中最成熟且应用最广的涂装方法 研究，Kapur采用基于毛细边界条件的雷诺方程理论 是辊涂法冈，其工艺流程是带料辊将涂料从涂料盘中 较好地模拟了棍涂过程，研究发现辊速、辊径和溶液的 带出，经过与涂敷辊的啮合，把涂料从带料辊转移到涂 属性等参数会影响两辊间溶液的流动，从而影响了涂 收稿日期：20150105

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1: 90--97，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，Suppl． 1: 90--97，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． s1． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 彩涂板涂层分布均匀性的分析 朱冬梅1) ，董栗明1) ，刘国勇1) ，王宽宽1) ，王 蕾2) ，张少军1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 上海大众汽车( 新疆) 有限公司，乌鲁木齐市 830022 通信作者，E-mail: gy_liu666@ ustb． edu． cn 摘 要 基于 CFD( Computational Fluid Dynamics) 数值方法 VOF( Volume of Fluid) 模型，利用 FLUENT 软件对彩涂板生产过程 中带料辊空转的情况进行了数值模拟，研究了带料辊旋转速度、涂料盘内的涂料量、涂料盘的尺寸、进出口位置以及涂料进口 的速度对涂料起泡性和涂层均匀性的影响． 数值结果表明，对生产彩涂板来说，带料辊旋转速度越大，涂层的均匀性越差; 涂 料盘里的涂料高度越高，涂料较容易发生起泡现象; 涂料盘长度和宽度越大，涂层的均匀性相对越好; 涂料进口速度越大，涂 料的起泡性越强; 涂料盘进、出口位置也会对涂层均匀性造成影响． 关键词 彩涂板; 带料辊; 均匀性; 非牛顿流体; 数值模拟 分类号 TQ062 + . 1 Analysis on the uniformity of coatings of color-coated sheet ZHU Dong-mei 1) ，DONG Li-ming1) ，LIU Guo-yong1)  ，WANG Kuan-kuan1) ，WANG Lei 2) ，ZHANG Shao-jun1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Shanghai Volkswagen Xinjiang Branch，Urumqi 830022，China Corresponding author，E-mail: gy_liu666@ ustb． edu． cn ABSTRACT Basing on the Volume of Fluid ( VOF) model of Computational Fluid Dynamics ( CFD) ，the 3-D numerical simulation of the idling furnish roll in the producing process for color-coated sheet was performed with the FLUENT software． And the effects of some parameters on the uniformity of coatings were analyzed，such as the rotation speed of furnish roll，the amount of lacquer in the plate，the size of lacquer plate，the inlet and outlet locations of lacquer plate and the inlet velocity of the lacquer． For producing the color-coated sheets，numerical results show that the uniformity of coatings becomes worse as the rotation speed of the furnish roll in￾creases; the higher the lacquer height in the plate is，the easier it emerges foams; the uniformity of coatings becomes better as the length and width of lacquer plate increase; the ability of producing the foams becomes stronger as the inlet velocity increases; the inlet and outlet locations of lacquer plate also influence the uniformity of coatings． KEY WORDS color-coated sheet; furnish roll; uniformity; non-Newtonian fluid; numerical simulation 收稿日期: 2015--01--05 由于传统钢板轻质度、美观度、强度及耐腐蚀性能 越来越不能满足日益发展的市场需求，所以在 1927 年 钢铁行业产生了一种新型的金属材料———彩涂板． 它 不仅保留了钢板的传统优良性能，而且钢板更易成型， 色泽新颖，还提高了其机械强度、美观度［1］． 目前彩涂板生产中最成熟且应用最广的涂装方法 是辊涂法［2］，其工艺流程是带料辊将涂料从涂料盘中 带出，经过与涂敷辊的啮合，把涂料从带料辊转移到涂 敷辊上，然后涂敷辊再将涂料涂在预处理后的钢板的 上、下表面［3］． 某钢铁公司在彩涂板的生产过程中，发 现在涂料盘中有大量的气泡产生，这会对彩涂板的质 量造成很大的影响． 国内对彩涂领域内辊涂设备缺乏 深入系统的研究，而国外专家对辊涂过程做了大量的 研究，Kapur 采用基于毛细边界条件的雷诺方程理论 较好地模拟了辊涂过程，研究发现辊速、辊径和溶液的 属性等参数会影响两辊间溶液的流动，从而影响了涂

朱冬梅等：彩涂板涂层分布均匀性的分析 。91* 层厚度O.Hewson等采用有限元方法分析溶液流动 成正比，墨辊对滚速度越大，油墨在墨区交界处受到影 的特征，验证了Kapur的实验方法的正确性，研究发现 响的区域也成增大趋势. 辊速、辊间压力、辊间角度等因素都会影响涂层厚度和 本文通过FLUENT软件建立有限元模型，基于 涂层稳定性5-刀.Ascanio等利用微型压电器装置测量 CFD数值计算理论，分析涂料盘的工艺参数对涂料的 辊间的压力分布，结果表明：辊间压力过小，会引起油 起泡性和涂层均匀性的影响：同时，也可为彩涂板实际 雾的产生，从而引起油膜破裂和空气混入等情况的产 生产过程中涂料的转移率、涂层厚度分析等相关内容 生，导致涂敷过程的不稳定网.因此，辊间压力需要很 提供参考依据. 大才能保证辊涂的稳定性和避免油雾的产生.国内外 1 带料辊空转时基本参数的设定 学者均是通过理论研究或者实验来研究涂层均匀的影 响因素，而没有通过C℉D仿真流体软件对彩涂板涂料 带料辊与涂料直接接触，将涂料从涂料盘中带出， 运动流场进行研究.文献P]和0]用CFD软件模拟 因此，带料辊上涂层均匀性是影响彩涂板质量的直接 分析了胶印机输墨系统油墨流动特性，主要对影响墨 因素，如图1所示.同时，考虑到计算机配置和时间安 斗辊和两墨辊对滚油墨流场的参数进行了仿真计算， 排，需对模型进行简化，只分析带料辊空转时的情况， 结果表明墨斗辊旋转速度的大小与流出墨斗的速度值 以减少模型复杂度和网格数，加快计算速度，提高效率. 钢板 (a) 向 1一涂料盘：2一带料辊：3一涂敷辊：4一控制辊：5一支持辊：6一转向辊 图1辊涂法示意图.(a)单张辊涂：(b)连续辊涂 Fig.I Roll coating method:(a)single sheet coating:(b)continuous coating 1.1几何模型与网格划分 利用网格处理软件Gambit建立漆盘模型，生成网 根据某钢厂所提供涂料盘的尺寸建立模型，涂料 格如图3所示.由于网格的质量好坏直接影响到数值 盘长度为L,宽度为W,高度为100mm,在涂料盘本体 计算的精度因，所以对几何模型主要使用结构网格 上部设有两个涂料圆管进口，进口管半径为20mm,进 来划分，其他形状不规则部分采用非结构网格 口位置距中心距离为M,在涂料盘下部设有两个溢流 口，溢流口半径为30mm,出口位置距中心距离为N. 涂料盘里涂料高度设置为H,涂料进口速度为，中间 部分为简化的带料辊模型，其长度为1200mm,半径为 100mm,带料辊旋转线速度为t,其几何模型如图2 所示. 中 图3涂料盘的网格模型 Fig.3 Grid model of lacquer plate 1.2计算模型与参数设置 图2涂料盒的几何模型 Fig.2 Structure of lacquer plate VOF模型主要适用于有清晰的相界面的流动，且 各相之间互不渗透B日，对于本模型中空气和涂料两

朱冬梅等: 彩涂板涂层分布均匀性的分析 层厚度［4］． Hewson 等采用有限元方法分析溶液流动 的特征，验证了 Kapur 的实验方法的正确性，研究发现 辊速、辊间压力、辊间角度等因素都会影响涂层厚度和 涂层稳定性［5 － 7］． Ascanio 等利用微型压电器装置测量 辊间的压力分布，结果表明: 辊间压力过小，会引起油 雾的产生，从而引起油膜破裂和空气混入等情况的产 生，导致涂敷过程的不稳定［8］． 因此，辊间压力需要很 大才能保证辊涂的稳定性和避免油雾的产生． 国内外 学者均是通过理论研究或者实验来研究涂层均匀的影 响因素，而没有通过 CFD 仿真流体软件对彩涂板涂料 运动流场进行研究． 文献［9］和［10］用 CFD 软件模拟 分析了胶印机输墨系统油墨流动特性，主要对影响墨 斗辊和两墨辊对滚油墨流场的参数进行了仿真计算， 结果表明墨斗辊旋转速度的大小与流出墨斗的速度值 成正比，墨辊对滚速度越大，油墨在墨区交界处受到影 响的区域也成增大趋势． 本文 通 过 FLUENT 软 件 建 立 有 限 元 模 型，基 于 CFD 数值计算理论，分析涂料盘的工艺参数对涂料的 起泡性和涂层均匀性的影响; 同时，也可为彩涂板实际 生产过程中涂料的转移率、涂层厚度分析等相关内容 提供参考依据． 1 带料辊空转时基本参数的设定 带料辊与涂料直接接触，将涂料从涂料盘中带出， 因此，带料辊上涂层均匀性是影响彩涂板质量的直接 因素，如图 1 所示． 同时，考虑到计算机配置和时间安 排，需对模型进行简化，只分析带料辊空转时的情况， 以减少模型复杂度和网格数，加快计算速度，提高效率． 1 "涂料盘; 2 "带料辊; 3 "涂敷辊; 4 "控制辊; 5 "支持辊; 6 "转向辊 图 1 辊涂法示意图． ( a) 单张辊涂; ( b) 连续辊涂 Fig． 1 Roll coating method: ( a) single sheet coating; ( b) continuous coating 1. 1 几何模型与网格划分 根据某钢厂所提供涂料盘的尺寸建立模型，涂料 盘长度为 L，宽度为 W，高度为 100 mm，在涂料盘本体 上部设有两个涂料圆管进口，进口管半径为 20 mm，进 口位置距中心距离为 M，在涂料盘下部设有两个溢流 口，溢流口半径为 30 mm，出口位置距中心距离为 N． 涂料盘里涂料高度设置为 H，涂料进口速度为 vi，中间 部分为简化的带料辊模型，其长度为 1200 mm，半径为 100 mm，带料辊旋 转 线 速 度 为 v，其 几 何 模 型 如 图 2 所示． 图 2 涂料盒的几何模型 Fig． 2 Structure of lacquer plate 利用网格处理软件 Gambit 建立漆盘模型，生成网 格如图 3 所示． 由于网格的质量好坏直接影响到数值 计算的精度［11 － 12］，所以对几何模型主要使用结构网格 来划分，其他形状不规则部分采用非结构网格． 图 3 涂料盘的网格模型 Fig． 3 Grid model of lacquer plate 1. 2 计算模型与参数设置 VOF 模型主要适用于有清晰的相界面的流动，且 各相之间互不渗透［13 － 15］，对于本模型中空气和涂料两 ·91·

·92 工程科学学报，第37卷，增刊1 相，可设a（x,y,z,)和a。(x,y,z,t）分别代表每个控 kgm3,空气黏度为1.7894×10-5Pa·s.涂料是非牛 制单元内空气和涂料所占的体积分数，在每个单元 顿流体，密度为1200kg·m3,其黏度是变化的，满足以 中有 下关系式6-国 a。+ap=1. (1) u=Ky-1 (4) 对于每个计算单元而言，存在3种情况：(1)a。=0 式中：y为剪切速率：K为稠度系数：n为流性指数，量 表示该单元全被气体充满：(2)a。=1表示该单元全是 纲为1. 涂料：(3)0<a。<1表示该单元部分是空气，部分是涂 涂料的入口边界条件设置为速度入口，出口为两 料，有涂料和空气的交界面 相流压力出口，对带料辊的边界进行旋转设置，方向为 对于不可压缩流体，其基本控制方程如下. X轴正方向，其他边界为无滑移的壁面条件. 连续方程： a=0. (2) 2流场仿真结果与分析 axi 运动方程： 2.1带料辊旋转速度的影响 a(pu:),a(pu,4)_ 涂料盘的尺寸为1800mm×950mm×100mm,涂 (3) ax, 料盘本体上部两个进口管半径为20mm,进口位置距 式中：p为体积分数平均密度：μ为黏性系数：p为流体 离涂料盘中心830mm,涂料盘下部两个溢流口半径 各向同性压力；“：和”为速度分量；x:和x为坐标 为30mm,出口位置距离涂料盘中心620mm.带料辊 分量. 长度为1200mm,半径为100mm.涂料高度为70 本文使用LUENT仿真软件进行数值模拟，考虑 mm,涂料的进口速度为0.2m·s.分别模拟带料辊 了模型的适用性以及计算机配置等方面，采用了标准 旋转线速度v为1、2、3和4ms条件下涂料的分布 的k-w模型，运用一阶迎风格式及SIMPLE算法对离 情况，四种模型在1.5s时涂料体积分数云图如图4 散方程进行了求解.在室温条件下，空气密度为1.225 所示。 a b 66 图4带料辊不同速度时涂料体积分数云图.(a)=1ms1:(b)=2msl:(c)=3msl:(d)r=4ms1 Fig.4 Contours of coating volume fraction at different rotation speeds of furnish roll:(a)=1 ms;(b)=2ms;(c)=3ms-; (d)v=4ms-1 由图4可知，带料辊辊速为1ms和2m·s时 匀性很差.涂料的起泡性和转速有关，即随着转速的 几乎没有产生气泡，而且整个带料辊上涂层较均匀. 增加，涂料越容易起泡，这主要是因为混合过程中的机 辊速为3ms时，带料辊附近开始产生少量的气泡， 械力和旋转过程中的离心力的作用。机械力对泡沫有 且主要聚集在带料辊的末端，带料辊上的涂料有的地 破坏作用，在搅拌速度很高时，这种作用增大，使泡沫 方开始出现空白状态；辊速为4m·s时，带料辊上已 体积减小.离心力有利于泡沫稳定，在低转速范围内， 经开始产生大量的气泡，而且靠近出口端带料辊附近 这种作用随转速升高而增加90.就彩涂板质量和 的气泡范围明显大于其他区域，整个带料辊上涂料均 生产效率方面而言，带料辊辊速为2m·s相对较好

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 相，可设 aa ( x，y，z，t) 和 ap ( x，y，z，t) 分别代表每个控 制单元内空气和涂料所占的体积分数，在每个单元 中有 aa + ap = 1． ( 1) 对于每个计算单元而言，存在 3 种情况: ( 1) ap = 0 表示该单元全被气体充满; ( 2) ap = 1 表示该单元全是 涂料; ( 3) 0 ＜ ap ＜ 1 表示该单元部分是空气，部分是涂 料，有涂料和空气的交界面． 对于不可压缩流体，其基本控制方程如下． 连续方程: ui xi = 0． ( 2) 运动方程: ( ρui ) t + ( ρuiuj ) xj = ρfi － p xi +  x (j μ ui x ) j ． ( 3) 式中: ρ 为体积分数平均密度; μ 为黏性系数; p 为流体 各向同性压 力; ui 和 uj 为 速 度 分 量; xi 和 xj 为 坐 标 分量． 本文使用 FLUENT 仿真软件进行数值模拟，考虑 了模型的适用性以及计算机配置等方面，采用了标准 的 k--ω 模型，运用一阶迎风格式及 SIMPLE 算法对离 散方程进行了求解． 在室温条件下，空气密度为 1. 225 kg·m － 3 ，空气黏度为 1. 7894 × 10 － 5 Pa·s． 涂料是非牛 顿流体，密度为 1200 kg·m － 3 ，其黏度是变化的，满足以 下关系式［16 － 18］: μ = K γ ·n － 1 ． ( 4) 式中: γ · 为剪切速率; K 为稠度系数; n 为流性指数，量 纲为 1． 涂料的入口边界条件设置为速度入口，出口为两 相流压力出口，对带料辊的边界进行旋转设置，方向为 X 轴正方向，其他边界为无滑移的壁面条件． 2 流场仿真结果与分析 2. 1 带料辊旋转速度的影响 涂料盘的尺寸为 1800 mm × 950 mm × 100 mm，涂 料盘本体上部两个进口管半径为 20 mm，进口位置距 离涂料盘中心 830 mm，涂料盘下部两个溢流口半径 为 30 mm，出口位置距离涂料盘中心 620 mm． 带料辊 长度 为 1200 mm，半 径 为 100 mm． 涂 料 高 度 为 70 mm，涂料的进口速度为 0. 2 m·s － 1 ． 分别模拟带料辊 旋转线速度 v 为 1、2、3 和 4 m·s － 1 条件下涂料的分布 情况，四种模型在 1. 5 s 时涂料体积分数云图如图 4 所示． 图 4 带料辊不同速度时涂料体积分数云图． ( a) v = 1 m·s － 1 ; ( b) v = 2 m·s － 1 ; ( c) v = 3 m·s － 1 ; ( d) v = 4 m·s － 1 Fig． 4 Contours of coating volume fraction at different rotation speeds of furnish roll: ( a) v = 1 m·s － 1 ; ( b) v = 2 m·s － 1 ; ( c) v = 3 m·s － 1 ; ( d) v = 4 m·s － 1 由图 4 可知，带料辊辊速为 1 m·s － 1 和 2 m·s － 1 时 几乎没有产生气泡，而且整个带料辊上涂层较均匀． 辊速为 3 m·s － 1 时，带料辊附近开始产生少量的气泡， 且主要聚集在带料辊的末端，带料辊上的涂料有的地 方开始出现空白状态; 辊速为 4 m·s － 1 时，带料辊上已 经开始产生大量的气泡，而且靠近出口端带料辊附近 的气泡范围明显大于其他区域，整个带料辊上涂料均 匀性很差． 涂料的起泡性和转速有关，即随着转速的 增加，涂料越容易起泡，这主要是因为混合过程中的机 械力和旋转过程中的离心力的作用． 机械力对泡沫有 破坏作用，在搅拌速度很高时，这种作用增大，使泡沫 体积减小． 离心力有利于泡沫稳定，在低转速范围内， 这种作用随转速升高而增加［19 － 20］． 就彩涂板质量和 生产效率方面而言，带料辊辊速为 2 m·s － 1 相对较好． ·92·

朱冬梅等：彩涂板涂层分布均匀性的分析 93 2.2涂料盘里的涂料量影响 度为50、60、70、80mm时涂料的分布情况，四种模型在 其他参数条件不变，分别模拟涂料盘里的涂料高 2.5s时涂料体积分数云图如图5所示 699 8 (a) 60 (e) (d) 443 2F-x 图5涂料盘里不同涂料量时涂料体积分数云图.(a)H=50mm;(b)H=60mm:(c)H=70mm:(d)H=80mm Fig.5 Contours of coating volume fraction under different coating amounts in the lacquer plate:(a)H=50mm:(b)H=60mm:(c)H=70mm (d)H=80mm 由图5可知，涂料高度为0mm和80mm时产生 涂料盘里的涂料高度为60mm时，带料辊上涂层的均 了气泡，但带料辊上涂层的均匀性很高。虽然涂料高 匀性能得到保证，而且带料辊上的涂层均匀性也较好. 度为50mm和60mm的模型没有气泡产生，但是可以 2.3涂料盘长度的影响 发现，涂料高度为50mm时带料辊上的均匀性较差. 其他条件保持不变，改变涂料盘的长度，会改变涂 涂料盘里的涂层高度影响涂料流动的均匀性，同时也 料盘内的涂料的高度，从而影响涂层分布的均匀性 影响带料辊上的涂层的均匀性.涂料盘里的涂料高度 分别模拟涂料盘长度L为1400、1600、1800、2000和 越高，即涂料越多，那么带料辊上所带走的涂料越多， 2200mm时涂料的分布情况，五种模型在4.5s时的涂 涂层均匀性相对越好.但涂料盘里的涂料越多，带料 料体积分数云图如图6所示 辊在旋转的过程中越容易产生起泡现象.综合分析， 由图6可知，涂料盘长度为1400、1600和1800mm a b 5 89 55 d :Lx 图6涂料盘不同长度时涂料体积分数云图.(a)L=1400mm;(b)L=1600mm:(c）L=1800mm:(d)L=2000mm:(e）L=2200mm Fig.6 Contours of coating volume fraction under different lengths of lacquer plate:(a)L=1400 mm:(b)L=1600 mm:(c)L=1800 mm: (d)L=2000mm:(e)L=2200mm

朱冬梅等: 彩涂板涂层分布均匀性的分析 2. 2 涂料盘里的涂料量影响 其他参数条件不变，分别模拟涂料盘里的涂料高 度为 50、60、70、80 mm 时涂料的分布情况，四种模型在 2. 5 s 时涂料体积分数云图如图 5 所示． 图 5 涂料盘里不同涂料量时涂料体积分数云图． ( a) H = 50 mm; ( b) H = 60 mm; ( c) H = 70 mm; ( d) H = 80 mm Fig． 5 Contours of coating volume fraction under different coating amounts in the lacquer plate: ( a) H = 50 mm; ( b) H = 60 mm; ( c) H = 70 mm; ( d) H = 80 mm 图 6 涂料盘不同长度时涂料体积分数云图． ( a) L = 1400 mm; ( b) L = 1600 mm; ( c) L = 1800 mm; ( d) L = 2000 mm; ( e) L = 2200 mm Fig． 6 Contours of coating volume fraction under different lengths of lacquer plate: ( a) L = 1400 mm; ( b) L = 1600 mm; ( c) L = 1800 mm; ( d) L = 2000 mm; ( e) L = 2200 mm 由图 5 可知，涂料高度为 70 mm 和 80 mm 时产生 了气泡，但带料辊上涂层的均匀性很高． 虽然涂料高 度为 50 mm 和 60 mm 的模型没有气泡产生，但是可以 发现，涂料高度为 50 mm 时带料辊上的均匀性较差． 涂料盘里的涂层高度影响涂料流动的均匀性，同时也 影响带料辊上的涂层的均匀性． 涂料盘里的涂料高度 越高，即涂料越多，那么带料辊上所带走的涂料越多， 涂层均匀性相对越好． 但涂料盘里的涂料越多，带料 辊在旋转的过程中越容易产生起泡现象． 综合分析， 涂料盘里的涂料高度为 60 mm 时，带料辊上涂层的均 匀性能得到保证，而且带料辊上的涂层均匀性也较好． 2. 3 涂料盘长度的影响 其他条件保持不变，改变涂料盘的长度，会改变涂 料盘内的涂料的高度，从而影响涂层分布的均匀性． 分别模拟涂料盘长度 L 为 1400、1600、1800、2000 和 2200 mm 时涂料的分布情况，五种模型在 4. 5 s 时的涂 料体积分数云图如图 6 所示． 由图 6 可知，涂料盘长度为 1400、1600 和 1800 mm ·93·

·94 工程科学学报，第37卷，增刊1 时均开始产生气泡。而且长度越小，产生的气泡量越 来越少.根据文献21门可知，溶液流动速率越快，每个 多.但比较带料辊上涂料的均匀性可以看出，长度越 分子所具有的动能就会增大，因而其克服内部引力，表 小，均匀程度越高.4.5s时五种模型的涂料补给量和 面积增大的可能性越大，则起泡性就会增强.由于预 输出量，如表1所示 存在涂料盘里的量是一定的，涂料进口流量也是相同 表1不同料盘长度时涂料的进量和出量 的，但比较涂料出口的流量，发现长度越大，出口流出 Table 1 Mass flow rate of coating entering into and flowing out under 涂料的量越少，而出口位置也没有改变，证明长度越 different lengths of lacquer plate 大，涂料在涂料盒内运动的速率越慢，那么涂料在涂料 长度1 涂料进量/ 涂料出量/ 料盘净增量/ 盒内的起泡性就越弱.由上述结果分析可得，涂料盘 mm (kg's-1) (kg's-1) (kg's-1) 长度越大，彩涂板质量相对越好，然而比较图6(d)、图 1400 0.56 1.94 -1.38 6(),结果相差不大，综合考虑经济效益因素，涂料盘 1600 0.56 0.44 0.12 的长度为2000mm较合适. 1800 0.58 0.42 0.16 2.4涂料盘宽度的影响 2000 0.59 0.26 0.33 其他条件保持不变，改变涂料盘的宽度会改变涂 2200 0.59 0.14 0.45 料盘内涂料的高度，从而影响涂层分布的均匀性.分 别模拟涂料盘宽度W为550、750、950、1050和1250 由表1分析可知，在长度为1400mm时，涂料的输 mm时涂料的分布情况，五个模型在4.5s时的涂料体 出量要大于涂料的进给量，会造成涂料盘内的涂料越 积分数云图如图7所示. (a) ， 图7涂料盘宽度不同时涂料体积分数云图.(a)W=550mm;(b)W=750mm:(c）W=950mm:(d)W=1050mm:(e)W=1250mm Fig.7 Contours of coating volume fraction under different lacquer plate widths:(a)W=550 mm:(b)W=750 mm:(c)W=950 mm:(d)W= 1050mm;(e)W=1250mm 由图7可知，宽度为550、750和950mm的涂料 表2料盘宽度不同时涂料的进量和出量 盘，均开始产生少量的气泡.而较大的宽度1050和 Table 2 Mass flow rate of coatings entering into and flowing out under 1250mm均没有气泡产生.4.5s时五种不同宽度模型 different widths of lacquer plate 的涂料补给量和输出量，如表2所示. 宽度/ 涂料进量/ 涂料出量/ 料盘净增量/ 通过比较五种不同宽度下涂料的进给量和输出 mm (kg's-1) (kg's-1) (kg's-1) 量，发现宽度为550mm和750mm的两种模型，输出量 550 0.59 1.90 -1.31 要大于补给量，这样会造成涂料盘里的涂料供给不足， 750 0.59 2.31 -1.72 所以这两种模型不能应用于彩涂板的生产.而其他三 950 0.59 0.42 0.17 种模型，同长度方向一样，涂料起泡性随涂料在盘内流 1050 0.59 0.05 0.54 动速率的增大而增强.所以涂料盘的宽度越大，彩涂 1250 0.59 0.01 0.58 板的质量相对越好，但考虑经济效益因素，彩涂板的宽 度为1050mm较合适. 2.5 涂料盘进口位置的影响 其他条件保持不变，改变涂料进口的位置，会改变

工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 时均开始产生气泡． 而且长度越小，产生的气泡量越 多． 但比较带料辊上涂料的均匀性可以看出，长度越 小，均匀程度越高． 4. 5 s 时五种模型的涂料补给量和 输出量，如表 1 所示． 表 1 不同料盘长度时涂料的进量和出量 Table 1 Mass flow rate of coating entering into and flowing out under different lengths of lacquer plate 长度/ mm 涂料进量/ ( kg·s － 1 ) 涂料出量/ ( kg·s － 1 ) 料盘净增量/ ( kg·s － 1 ) 1400 0. 56 1. 94 － 1. 38 1600 0. 56 0. 44 0. 12 1800 0. 58 0. 42 0. 16 2000 0. 59 0. 26 0. 33 2200 0. 59 0. 14 0. 45 由表 1 分析可知，在长度为 1400 mm 时，涂料的输 出量要大于涂料的进给量，会造成涂料盘内的涂料越 来越少． 根据文献［21］可知，溶液流动速率越快，每个 分子所具有的动能就会增大，因而其克服内部引力，表 面积增大的可能性越大，则起泡性就会增强． 由于预 存在涂料盘里的量是一定的，涂料进口流量也是相同 的，但比较涂料出口的流量，发现长度越大，出口流出 涂料的量越少，而出口位置也没有改变，证明长度越 大，涂料在涂料盒内运动的速率越慢，那么涂料在涂料 盒内的起泡性就越弱． 由上述结果分析可得，涂料盘 长度越大，彩涂板质量相对越好，然而比较图 6( d) 、图 6( e) ，结果相差不大，综合考虑经济效益因素，涂料盘 的长度为 2000 mm 较合适． 2. 4 涂料盘宽度的影响 其他条件保持不变，改变涂料盘的宽度会改变涂 料盘内涂料的高度，从而影响涂层分布的均匀性． 分 别模拟涂料盘宽度 W 为 550、750、950、1050 和 1250 mm 时涂料的分布情况，五个模型在 4. 5 s 时的涂料体 积分数云图如图 7 所示． 图 7 涂料盘宽度不同时涂料体积分数云图． ( a) W = 550 mm; ( b) W = 750 mm; ( c) W = 950 mm; ( d) W = 1050 mm; ( e) W = 1250 mm Fig． 7 Contours of coating volume fraction under different lacquer plate widths: ( a) W = 550 mm; ( b) W = 750 mm; ( c) W = 950 mm; ( d) W = 1050 mm; ( e) W = 1250 mm 由图 7 可知，宽度为 550、750 和 950 mm 的涂料 盘，均开始产生少量的气泡． 而较大的宽度 1050 和 1250 mm 均没有气泡产生． 4. 5 s 时五种不同宽度模型 的涂料补给量和输出量，如表 2 所示． 通过比较五种不同宽度下涂料的进给量和输出 量，发现宽度为 550 mm 和 750 mm 的两种模型，输出量 要大于补给量，这样会造成涂料盘里的涂料供给不足， 所以这两种模型不能应用于彩涂板的生产． 而其他三 种模型，同长度方向一样，涂料起泡性随涂料在盘内流 动速率的增大而增强． 所以涂料盘的宽度越大，彩涂 板的质量相对越好，但考虑经济效益因素，彩涂板的宽 度为 1050 mm 较合适． 表 2 料盘宽度不同时涂料的进量和出量 Table 2 Mass flow rate of coatings entering into and flowing out under different widths of lacquer plate 宽度/ mm 涂料进量/ ( kg·s － 1 ) 涂料出量/ ( kg·s － 1 ) 料盘净增量/ ( kg·s － 1 ) 550 0. 59 1. 90 － 1. 31 750 0. 59 2. 31 － 1. 72 950 0. 59 0. 42 0. 17 1050 0. 59 0. 05 0. 54 1250 0. 59 0. 01 0. 58 2. 5 涂料盘进口位置的影响 其他条件保持不变，改变涂料进口的位置，会改变 ·94·